Tận dụng vật lý của Newton, các kỹ sư tạo ra được những tháp pin khổng lồ lưu trữ điện mặt trời

Cuộc cách mạng năng lượng sạch vẫn đau đáu một câu hỏi. Khi gió lên, sóng vỗ và nắng chiếu lung linh muôn hoa vàng, lượng điện sản sinh từ cách hệ thống sạch dồi dào vô cùng. Nhưng khi đêm đông thanh vắng và tứ bề lặng thinh, ta phải làm gì để có điện?

Năm 2021, chúng ta trả lời câu hỏi này bằng phương pháp cố hữu: đốt nhiên liệu hóa thạch để cấp năng lượng cho lưới điện toàn cầu. Ta đang dùng giải pháp của thế kỷ trước để hóa giải khúc mắc của thời đại mới, một giải pháp trực tiếp phá hoại nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính.

Thiết bị lưu trữ năng lượng một cách tối ưu vẫn được tung hô như phương pháp cứu nguy cho ngành năng lượng sạch. Một số chuyên gia mong muốn giải quyết vấn đề với những hệ thống pin lithium-ion đang ngày một hoàn thiện. Có người lại cho rằng hydro sạch mới là tương lai ngành năng lượng. Nhưng rồi, một ý kiến thứ ba xuất hiện, với mong muốn tận dụng sức mạnh vô hình vẫn đang tồn tại quanh ta: lực hấp dẫn.

Cách thức tạo điện này ít nhiều tương tự với công nghệ đập thủy điện hiện hành, vốn đảm nhiệm tới 90% sản lượng điện năng toàn cầu. Khi thặng dư năng lượng, các máy bơm sẽ đẩy nước lên hồ thủy điện để chờ thời khắc khô hạn tới. Lượng nước sẽ được xả và làm quay máy phát điện khi cần.

Tại hầu hết các quốc gia, chúng ta đều đã thấy mô hình thủy điện thành công nhường nào, tuy nhiên bất cập sẽ tới khi quy mô con đập ngày một lớn.

Những dự án thủy điện có thể tạo ra lượng năng lượng khổng lồ, tuy nhiên do chi phí đắt đỏ và yêu cầu cao - địa thế rộng rãi bên cạnh một nguồn nước khổng lồ - những con đập thủy điện không thể hiện hữu khắp nơi. Để đạt được ước nguyện triệt tiêu hoạt động phát thải khí carbon, ta cần một hệ thống lưu trữ năng lượng có thể nằm ở bất cứ đâu, xây dựng ở bất kỳ quy mô nào.

Startup năng lượng sạch Gravitricity mong muốn hiện thực hóa giấc mơ này. Tháng Tư năm ngoái, nhóm đã tạo thành công thiết bị mẫu có tên “gravity battery”, tạm dịch là “pin trọng trường”: nó là một tòa tháp cao 15 mét làm bằng thép, treo một khối sắt nặng 50 tấn. Sử dụng năng lượng sạch dư thừa, động cơ điện sẽ từ từ kéo khối sắt lên cao, rồi thả khối nặng làm xoay turbine để tạo điện khi cần thiết.

Mặc cho hai con số 15 và 50 nghe có vẻ lớn, Jill Macpherson, kỹ sư cấp cao của startup Gravitricity vẫn khẳng định quy mô của hệ thống pin trọng trường này vẫn còn nhỏ. Tuy vậy, tòa tháp cao 15 mét cũng đã lập tức tạo ra được lượng điện 250 kW, đủ để duy trì hoạt động của 750 hộ gia đình trong thoáng chốc. Trong quá trình thử nghiệm, nhóm đã nhìn ra được tiềm năng lâu dài của hệ thống.

Tòa tháp vươn cao đi ngược lại với mục tiêu của Gravitricity ở thời điểm hiện tại, là tìm lối đi vào lòng đất. Suốt năm 2021, các kỹ sư của startup lùng sục những mỏ than dừng hoạt động tại Anh Quốc, Đông Âu, Nam Phi và Chi-lê. Giám đốc Gravitricity, ông Charlie Blair giải thích đơn giản: “Tại sao phải xây tháp cao trong khi ta có thể dùng địa chất Trái Đất để gánh bớt phần nặng?”

Dường như hai mảnh ghép vừa khớp tới hoàn thiện. Trái Đất lỗ chỗ những hầm mỏ khai khoáng bỏ hoang. Sâu tới 300 mét hoặc hơn, những hầm mỏ có thể đặt vừa nhiều hệ thống quy mô lớn của Gravitricity. Dự án khả thi hơn nữa khi các nhà lập pháp đều tỏ ý nguyện từ bỏ nhiên liệu hóa thạch. Với đủ số vốn và ít nhiều may mắn, pin trọng trường thử nghiệm đầu tiên sẽ đi vào hoạt động tại Cộng hòa Séc trong năm 2024.

“Chúng ta cần soi xét kỹ các cấu trúc thiết bị đang có, đảm bảo an toàn và đủ khả năng giơ cao được khối lượng lên tới vài ngàn tấn”, ông Blair nói. “Còn cả những quy tắc an toàn xuất hiện quanh khí methane, hay việc mỏ ngập nước”.

Sau khi cân nhắc về vấn đề này, Gravitricity đang tính tới bước tự làm ngập* thiết bị của mình. Phương pháp có thể gây tốn kém ban đầu, nhưng có tiềm năng ổn định lâu dài.

Trong khi Gravitricity rà soát lớp vỏ Trái Đất, những người khác vẫn nuôi tham vọng dựng tháp cao. Tại vùng thung lũng miền Nam Thụy Sĩ, đứng sừng sững một công trình làm từ bê tông và thép của Energy Vault, một công ty đi đầu trong sản xuất pin trọng trường. Tòa tháp của họ cao tương đương tòa nhà 20 tầng.

Mỗi khi xảy ra trường hợp thặng dư năng lượng sạch, một cần cẩu điều khiển bằng AI sẽ nhấc lên cao một khối nặng có khối lượng 30 tấn. Khi cầu vượt cung, khối nặng hạ dần độ cao, sinh ra năng lượng đủ cho hàng ngàn mái ấm.

Nắm trong tay công nghệ đã được chứng minh là hiệu quả, đồng thời nhận được số vốn lên tới 402 triệu USD (khoảng 9,3 nghìn tỷ VNĐ), Energy Vault đã sẵn sàng bước vào giai đoạn thương mại hóa. Với số vốn kếch xù, công ty rủng rỉnh tiền đầu tư cho khâu làm đẹp, họ dự định xây một tòa nhà có vẻ ngoài bớt gai góc hơn tòa tháp thử nghiệm, có thể điều khiển một khối nặng tới hàng ngàn tấn trên một hệ thống cáp treo và ròng rọc. Họ đặt cho công trình cái tên “EVx”.

“Bạn hãy tưởng tượng tới một nhà kho chứa những thang máy tạo điện”, Robert Piconi, CEO của Energy Vault giải thích. “Khi điện sạch đi vào, những khối nặng làm từ vật liệu tái chế được nâng lên cao, và khi lưới điện cần năng lượng, chúng sẽ đi xuống. Một tháp EVx với khả năng sản sinh 100 megawatt giờ năng lượng sẽ có thể cung cấp điện năng cho 25.000 ngôi nhà trong một ngày.”

Kích cỡ và thiết kế từng tháp sẽ quyết định sức chứa năng lượng của chúng. Theo thông tin vị CEO cung cấp, tháp nhỏ nhất cũng sẽ chiếm tới hàng chục ngàn mét vuông diện tích (khoảng vài chục Sân vận động Quốc gia Mỹ Đình, có thể hơn). Ông Piconi không đánh giá cao mức độ nghiêm trọng của vấn đề, bởi lẽ các tháp pin trọng trường thường sẽ nằm gần trang trại năng lượng sạch, vốn tọa lạc xa khu dân cư.

Tiếng lành đang truyền xa, khi số doanh nghiệp đặt hàng tháp pin ngày một nhiều, với đơn hàng tới tấp bay về từ Mỹ, Châu Âu, Trung Đông, Trung Quốc và Úc. Khi Trung Quốc, quốc gia phát thải khí nhà kính lớn của thế giới quyết định thay đổi, bước chuyển mình giữa nhiên liệu hóa thạch và năng lượng sạch sẽ vững chắc thêm đôi phần.

Dù viễn cảnh vẫn còn xa vời (và quá tươi đẹp để sớm trở thành sự thực), thì sớm muộn các quốc gia cũng sẽ phải tìm cho mình một phương pháp lưu trữ năng lượng sạch. Ai cũng sẽ cần một kho chứa dài hạn, có thể cung cấp năng lượng tức thời khi lưới điện yêu cầu.

Yêu cầu thứ hai vướng phải một trong những khó khăn đeo bám ngành năng lượng sạch bấy lâu nay. Lưới điện hiện đại không được thiết kế cho những hệ thống năng lượng tái tạo.

Trọng lượng khối nặng cộng với tốc độ rơi chậm sẽ tạo ra một lực xoắn rất lớn, cho phép hệ thống pin trọng trường sản sinh ra mức năng lượng tối đa gần như lập tức. Điều này khiến hệ thống có thể khéo léo duy trì mức độ cân bằng của lưới điện, giảm nguy cơ làm hư hại cấu trúc hạ tầng và kéo sập lưới điện.

Pin lithium, kho chứa năng lượng vận hành điện thoại, laptop, xe điện đang được sản xuất ngày một nhiều, ngày một rẻ. Hơn nữa, hiệu năng pin lithium cũng tương tự với hệ thống pin trọng trường tiềm năng. Tại sao không thiết kế một hệ thống pin lithium khổng lồ để lưu trữ năng lượng?

Để trả lời câu hỏi này, ta có thể xét tới chi phí vòng đời của một thiết bị. Pin trọng trường là những cấu trúc cơ học có thể hỏng hóc theo thời gian và theo nhiều cách. Hỏng hóc và thoái hóa tới từ việc đứt cáp, kẹt bánh răng, rỉ sét, nhưng chúng không ảnh hưởng tới cấu trúc tổng thể. Từng bộ phận đơn lẻ có thể được thay thế dễ dàng, giúp pin trọng trường có tuổi thọ lên tới 50 năm.

Tuy nhiên, pin lithium với thành phần hóa học đối mặt với những vấn đề hóc búa hơn hẳn. “Các cell năng lượng lithium-ion xuống cấp, đồng nghĩa với việc sức chứa của pin giảm theo thời gian và không thể phục hồi”, Asmae Berrada, chuyên gia lưu trữ năng lượng công tác tại Đại học Quốc tế Rabat tại Ma-rốc, nhận định. Cô đã từng xuất bản nghiên cứu cho thấy chi phí vòng đời của pin lithium-ion gần gấp đôi “tòa pin” cao hàng chục mét.

Cộng thêm việc pin lithium-ion đối mặt với những vấn đề nhạy cảm như đạo đức và môi trường, cô Berrada cho rằng giải pháp “không cần tới lithium” là tất yếu trong lưu trữ năng lượng sạch. Hiện tại, cô và các cộng sự đang phát triển một hệ thống chứa năng lượng sạch ứng dụng nước và lực hấp dẫn, đã đang nhận hậu thuẫn tài chính từ chính phủ Tây Ban Nha và Ma-rốc.

Thay vì nâng lên hạ xuống một khối nặng ngàn tấn, lượng năng lượng sạch thặng dư sẽ được dùng để nhấc lên cao một piston chìm trong nước; piston chìm sâu sẽ đẩy nước làm turbine hoạt động. Phương pháp tương tự đang được thử nghiệm tại Đức và Mỹ.

Thật khó để khẳng định thành công của những tháp pin trọng trường. Nhưng cùng lúc đó, ta không thể đánh giá thấp ảnh hưởng sáng tạo của nó trong tìm tòi những phương pháp lưu trữ năng lượng mới.

Hiện ta chưa sở hữu một phương pháp tối ưu toàn diện, nhưng với tiềm năng khai thác thứ tương tác hấp dẫn tồn tại khắp Trái Đất, tháp chứa năng lượng điện dưới dạng quả nặng treo cao vẫn sẽ là một giải pháp sáng tạo và đáng được khai thác.